COVID-19関連追加(2021217日)呼吸活動とエアロゾル発生手技について

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202092-2

【エアロゾル総排出量における呼吸活動,人工呼吸療法およびフェイスマスクの影響】

Wilson NM, et al. The effect of respiratory activity, ventilatory therapy and facemasks on total aerosol emissions. MedRxiv. Posted, Feb 10, 2021.

https://doi.org/10.1101/2021.02.07.21251309.

Background

呼気された呼吸可能なエアロゾル(respirable aerosols)(直径5µm未満)は,SARS-CoV-2感染伝播リスクが高い.多くのガイドラインでは,”エアロゾル発生手技(AGPs: aerosol generating procedures)”の間はエアロゾル予防措置を使用し,それ以外の時間帯では飛沫(> 5µm)予防措置を講じることを推奨している.しかし,AGPsではなく咳などの呼吸活動がエアロゾルの重要な発生源であるという証拠が出てきている.

Methods

呼気中のすべての粒子(0.525μmをサイズ分画してカウントするために100L/分でサンプリングできる光学式粒子カウンター(OPC: optical particle counter)(Aerotrak 9500, TSI Instruments, Minnesota, USA)を備えた最新式のチャンバーを使用した.チャンバーは,Morawskaによるexpiratory droplet investigation system (EDIS) MiltonGesundheitt-IIFigure 1)からの大型サンプリングコーンからのクリーンな気流の概念を用いて設計された22)23)OPCは粒子を6つのサイズカテゴリー(”bins”)(0.5-0.70.7-11-33-55-1010-25µm)でカウントする.

Figure 1:

 

健常者10人の”呼吸活動”(静かな呼吸,発声,叫び声,強制呼気手技[forced expiratory maneuvers],運動,咳)とAGPsとして指定された呼吸療法(高流量鼻腔酸素[HFNO: high flow nasal oxygen],単回路または複回路の非侵襲式陽圧換気[NIPPV-SおよびNIPPV-D: non-invasive positive pressure ventilation])におけるエアロゾル排出量を比較した.

各サンプルは,1分間事前パージ(purge: 排除)して,その後1分間の活動とサンプリングを行い,持続的なパージで終了した.運動は例外で,サンプリングの1分前にペダリングを開始した.全体のプロトコルは,被験者1人につき約4時間持続した.被験者6人が記載された順序でプロトコルを実行し,4人が逆の順序で実行した.被験者10人は,サージカルフェイスマスクの有無にかかわらず,6つの呼吸活動を行い,その後に研究デザインに詳述されたAGPsとして指定された3つの呼吸療法を受けながら,選択された活動を繰り返した(Supplementary Table S1).

呼吸活動は以下:

鼻または口のいずれかで静かに呼吸する.

発声; 大声でアルファベットを繰り返す.

叫び声; 短い文章を,この時間を維持できるだけ大きな声で繰り返す.

6回の強制呼気を行う(FEV78秒間隔で促し45秒で終了).

6回の自発的な咳(中程度の強度で,タイミングはFEVと同様).

ペダルエクサイザーPhysioRoom, Padiham, United Kingdom)を使用して、中負荷(mid-loadに設定して運動(最大推定心拍数の〜70%を達成する).

呼吸療法は以下:

HFNO; A C6 ventilator (Hamilton, Bonaduz, Switzerland) delivered humidified 33°C HFNO at an FiO2 of 0.25, via a Optiflow plus circuit and MR850 humidifier (Fisher and Paykel, Auckland, Aotearoa) Flows were delivered at 20, 40 and 60L/minute during quiet breathing, and at 60 L/minute during talking, FEV, coughing and exercise.

NIPPV; A V60 ventilator (Phillips, Eindhoven, Holland) delivered humidified 33°C NIPPV at an FiO2 of 0.25 via a Nivairo facemask (RT045, Fisher and Paykel), using an open single limb circuit with open expiratory port positioned inside the sampling cone. Pressures delivered were Inspiratory peak/expiratory peak airway pressures (IPAP/EPAP cm H20) of 5/5, 10/10, 15/10, 20/10 and 25/10 and during exercise at 20/10 cm H20.

NIPPV-D; A Hamilton-C6 ventilator was used to deliver NIPPV-D using the same pressure ranges, facemask and using a dual limb circuit with a high-efficiency air particulate (HEPA) filter on the expiratory limb.

Results

Subject:

被験者は,女性4人,男性6人,平均年齢29歳(SD= 2.8)であった.被験者および環境に関する詳細なデータはappendixに記載した(Table S3, S4).31,000リットルの空気をサンプリングして、粒子径および粒子数の測定を1860回(186/被験者)行った.

Respiratory activities:

静かな呼吸と比較すると,それぞれの呼吸活動は,排出量の大きな増加と関連していた(Figure 2, Table 1, Table S6この増加は,会話中における34.6から,6回の咳の間における370.8までの範囲であった(すべてp< 0.001.”倍”の増加(fold increases)は,活動ごとの平均総粒子数として,および推定総体積としても示された(Table S6).

Figure 2: the total numbers of exhaled respiratory particles sampled from ten subjects.

 

 

Table 1:

 

Respiratory therapies:

3つの呼吸療法では,呼吸ベンチマークに関連して,より高い流量と圧力で総粒子数がわずかに増加した(Table 1, S6, Figure 2HFNOでは,流量60L/minでのみ有意な増加が見られ,カウントは約2倍に増加した(p= 0.03NIPPV-Sでは,カウントは23倍に増加し,15/10cm H2Oで有意であった(p< 0.001NIPPV-Dでは,カウントは28倍に増加し,すべての圧力で有意であった(すべてのp 0.03

HFNOを装着して呼吸活動を行った場合,粒子数は減少した; 特に咳をしている間に有意に減少し,排出量は半減した(p= 0.03NIPPV-Sでのみ有意に減少した(p= 0.02)が,運動の間,3つの呼吸療法によって粒子数が3060%減少したTable 1

Surgical facemasks:

サージカルマスクの効果は活動に応じて変化し,全体的に総排出量が減少し,粒子数が多い活動では明らかに大きな減少が見られた.強制呼気と咳では,それぞれ約1/3p= 0.02)と約1/5p= 0.01)の減少を示した(Table 1.静かな呼吸時にマスクを着用した場合の排出量は1.2倍の増加を示したが有意ではなかった(p= 0.62).

Distribution of aerosols between activities and procedures:

すべての呼吸活動とエアロゾル発生手技(呼吸療法)で発生した粒子の圧倒的多数(92%以上)は、呼吸可能なエアロゾル(respirable aerosols)(5μm以下)であった(Table S6総粒子体積(total volume of particles)に占めるエアロゾルの割合は,すべての呼吸活動のみで5.9%34.9%咳が最も多い),HFNOおよびNIPPVを装着した静かな呼吸で7.1%22.4%の間であった

Inter-subject variation:

すべての呼吸活動における被験者のクラス内相関(intraclass correlation)はデバイスあり: 0.065およびデバイスなし: 0.068であり,呼気総粒子数における被験者と呼吸活動/呼吸療法の影響の間にはかなりのばらつきがあることが示された.呼吸は総粒子体積に対する寄与が一貫して小さかったが,他の呼吸活動の順位は被験者間でばらつきがあった.最も大きな寄与を除去しても,呼吸活動と呼吸療法の間の粒子放出量の変化の相対的な大きさに与える影響はわずかであった(Figure S2, Table S8).

 

Post Hoc Experiments:

呼気された電子タバコのエアロゾルを定性的に可視化すると,すべての呼吸活動においてサンプリングが不完全であった可能性があり,咳,強制呼気,サージカルマスク着用に関しては,サンプリングが大幅に不足していたことが示唆される(Video S1).人工呼吸器の性能評価では,NIPPV-DNIPPV-Sと比較して30%多い非同期呼吸サイクルと関連していることが示された(Table S7

Discussion

一般的な呼吸活動における1分間の総呼気排出量は,現在AGPsに分類されているHFNONIPPVよりも12桁大きいことが明らかになった重要なことは,これらの呼吸療法を呼吸活動中に使用した場合,排出量は呼吸活動のみの場合と比較して減少したことである

我々の研究は,呼吸活動と呼吸療法を比較した最近の2つの重要な研究を発展させ,補完するものである19)20)Gaeckleは,NIPPVHFNOは他の呼吸活動と比較してエアロゾルの発生量が有意に増加していないことを示したが,一方,咳では排出量は3倍増加した19)Hamiltonの報告によると,咳は排出量を10倍増加させたが,NIPPV-S3つの呼吸活動に比べて排出量が少なく,HFNOは呼吸器から発生するエアロゾルを増加させなかった20).ピークカウントと平均カウントの測定が異なるため比較は複雑であったが,呼吸療法に関係なく咳が危険なエアロゾルの発生源である可能性が最も高いと結論づけている20).不完全なサンプリングを避けるために,被験者の頭部を大きな円錐形の中に配置し,可能な限り総排出量に近づけるように100L/minでサンプリングを行った.この新しいアプローチによって,呼吸活動と呼吸療法の両方の先行研究と比較して,全体的な倍数差が顕著に増加した理由が説明できる19)20)26)27).我々の研究は,呼吸活動と運動によりエアロゾルが劇的に生成され,発声の大きさ,呼吸数と音量の増加,特に咳によってエアロゾルが増加することを示している他の研究と一致している24)-26)30)-32)生理学的要因の観点から,呼吸活動にともなうエアロゾルの増加は,喉頭下の圧力(subglottic pressure),空気動力学的せん断応力(aerodynamic shear stresses),声帯および終末気道開閉頻度(vocal fold and terminal airway open-closure frequency)と関連している9)25)29)32)33).対照的に,呼吸療法中に発生する圧力変化と流速(flow velocities)ははるかに小さい28)34)35)HFNO装着中の呼吸における排出量がわずかに増加するのは,上気道内の乱流によるものかもしれないが,NIPPVでは一回換気量の増加とそれに伴う気道の開閉(airway open-closure)によって,ベンチマークとなる”静かな呼吸”の指標を超えて,排出が増加する可能性がある.これは,フェイスマスク内に圧力スパイクが発生することにより,マスクと皮膚の隙間からのリークおよびエアロゾル発生が引き起こされるからかもしれないと推測している9)36)37)これらの増加はすべて呼吸活動を伴うものと比較して小さく,我々のサンプリングシステムとバックグラウンドカウントが非常に少ないために,ただ検出できただけである可能性が高いこの研究では,気道を開放し(splints open airways),効率的に呼吸するために必要な圧力変化を減少させる陽圧気道管理(positive airway pressure)の生理的利点がエアロゾルを減少させる可能性があることを示唆している15)34)35)

サージカルマスクを着用した場合,より流速が大きい活動の間は,明らかに濾過量が増加したが,我々のビデオによると,これはマスクがガスを集塵コーン(collecting cone)から遠ざけることが原因の一部であることを示唆している.これは,サージカルマスクを使用した横方向のリークを示した他の研究とも一致している38)39)この偏向は前方プルームを鈍らせて大きな飛沫を除去し,直接的な人と人との曝露を減らすことができるが,エアロゾルは換気の悪い空間に蓄積する可能性がある15)

この研究の強みは,呼吸活動や呼吸療法中に0.525μmのサイズ範囲で排出された全粒子のほとんどを,バックグラウンドのコンタミネーションを無視して捕捉できたことである.複雑な呼気気流パターンを可視化することで,我々の方法が呼吸活動や呼吸療法中の呼吸器エアロゾルを捕捉したという信頼性を高めている.我々の解析では,より大きな粒子の割合を示すことができたが,粒子サイズははるかに小さかった

Limitation: まず,被験者のばらつきがあり,粒子径分布のばらつきが,どこまでが生理的でどこまでが方法論的であるのかが不明である.次に,我々のpost-hoc研究では,咳と強制呼気がわずかに不完全なサンプリングであったことが示されており,最もエアロゾルを発生させる活動においては,大きな気流速度(high airflow velocities)のために包括的な測定が最も困難であることが強調される.このモデルは,COVID-19患者とは異なる可能性が高いが,HamiltonCOVID-19患者と健常対照者の両方で粒子径分布に同等のskewを観察しており20),類似性がある可能性が示唆される.重要なことは,エアロゾルを測定したすべての研究は,活動性ウイルス(viable virus)を定量化していないために限界があるということである.

Conclusions

発声,労作性呼吸,咳は,総排出量を減らすことができる呼吸療法(HFNONIPPV)よりも実質的に多くのエアロゾルを発生させる.エアロゾル曝露のリスクは十分に評価されておらず,対象を拡大した介入が必要である.

 

 

References

1) Amnesty International. Mapping health worker deaths from COVID-19 [Internet]. 2020. [cited 2021 Jan 4];Available from:

https://www.amnesty.org/en/latest/news/2020/09/mapping-covid19-health-worker-deaths/.

2) Heneghan C, Howdon D, Oke J, Jefferson T. The Ongoing Problem of UK Hospital Acquired Infections - The Centre for Evidence-Based Medicine [Internet]. Cent. Evidence-Based Med. - Univ. Oxford. 2020 [cited 2021 Jan 4];Available from:

https://www.cebm.net/covid-19/the-ongoing-problem-of-hospital-acquired-infections-across-the-uk/.

3) The World Health Organisation (WHO). Scientific brief. Transmission of SARS-CoV-2: implications for infection prevention precautions. [Internet]. 2020 [cited 2020 Jan 21];Available from:

https://www.who.int/news-room/commentaries/detail/transmission-of-sars-cov-2-implications-for-infection-prevention-precautions.

4) Public Health England. COVID-19: infection prevention and control (IPC) [Internet]. 2021 [cited 2021 Jan 30];Available from:

https://www.gov.uk/government/publications/wuhan-novel-coronavirus-infection-prevention-and-control.

5) Fennelly KP. Particle sizes of infectious aerosols: implications for infection control. Lancet Respir. Med. 2020;8(9):914–24.

6) Lednicky JA, Lauzard M, Fan ZH, et al. Viable SARS-CoV-2 in the air of a hospital room with COVID-19 patients. Int J Infect Dis 2020;100:476–82.

7) Nissen K, Krambrich J, Akaberi D, et al. Long-distance airborne dispersal of SARS-CoV-2 in COVID-19 wards. Sci Rep 2020.

8) Tellier R, Li Y, Cowling BJ, Tang JW. Recognition of aerosol transmission of infectious agents: A commentary. BMC Infect. Dis. 2019;19(1):101.

9) Mittal R, Ni R, Seo JH. The flow physics of COVID-19. J Fluid Mech 2020;894.

10) Lai X, Wang M, Qin C, et al. Coronavirus Disease 2019 (COVID-2019) Infection Among Health Care Workers and Implications for Prevention Measures in a Tertiary Hospital in Wuhan, China. JAMA Netw open 2020;3(5):e209666.

11) Zhong Q, Liu YY, Luo Q, et al. Spinal anaesthesia for patients with coronavirus disease 2019 and possible transmission rates in anaesthetists: retrospective, single-centre, observational cohort study. Br J Anaesth 2020;124(6):670–5.

12) Cook TM, Lennane S. Occupational COVID-19 risk for anaesthesia and intensive care staff – low-risk specialties in a high-risk setting. Anaesthesia 2020;anae.15358.

13) Tran K, Cimon K, Severn M, Pessoa-Silva CL, Conly J. Aerosol Generating Procedures and Risk of Transmission of Acute Respiratory Infections to Healthcare Workers: A Systematic Review. PLoS One 2012;7(4):e35797.

14) Jackson T, Deibert D, Wyatt G, et al. Classification of aerosol-generating procedures: a rapid systematic review. BMJ Open Resp Res 2020;7:730.

15) Wilson NM, Norton A, Young FP, Collins DW. Airborne transmission of severe acute respiratory syndrome coronavirus-2 to healthcare workers: a narrative review. Anaesthesia. 2020;75(8).

16) Dhillon RS, Rowin WA, Humphries RS, et al. Aerosolisation during tracheal intubation and extubation in an operating theatre setting. Anaesthesia 2020;anae.15301.

17) Thompson KA, Pappachan J V., Bennett AM, et al. Influenza Aerosols in UK Hospitals during the H1N1 (2009) Pandemic - The Risk of Aerosol Generation during Medical Procedures. PLoS One 2013.

18) Brown J, Gregson FKA, Shrimpton A, et al. A quantitative evaluation of aerosol generation during tracheal intubation and extubation. Anaesthesia 2020.

19) Gaeckle NT, Lee J, Park Y, Kreykes G, Evans MD, Hogan CJ. Aerosol Generation from the Respiratory Tract with Various Modes of Oxygen Delivery. Am J Respir Crit Care Med 2020;202(8):1115–24.

20) Aerator study group. Hamilton et al. Aerosol emission from the respiratory tract: an analysis of relative risks from oxygen delivery systems. Pre-published report. 2021.

21) Cook TM, El-Boghdadly K, McGuire B, McNarry AF, Patel A, Higgs A. Consensus guidelines for managing the airway in patients with COVID-19: Guidelines from the Difficult Airway Society, the Association of Anaesthetists the Intensive Care Society, the Faculty of Intensive Care Medicine and the Royal College of Anaesthetist. Anaesthesia 2020;75(6):785–99.

22) Yan J, Grantham M, Pantelic J, et al. Infectious virus in exhaled breath of symptomatic seasonal influenza cases from a college community. Proc Natl Acad Sci U S A 2018;115(5):1081–6.

23) Morawska L, Johnson GR, Ristovski ZD, et al. Size distribution and sites of origin of droplets expelled from the human respiratory tract during expiratory activities. J Aerosol Sci 2009;40(3):256–69.

24) Larsson P, Bake B, Wallin A, et al. The effect of exhalation flow on endogenous particle emission and phospholipid composition. Respir Physiol Neurobiol 2017;243:39–46.

25) Asadi S, Wexler AS, Cappa CD, Barreda S, Bouvier NM, Ristenpart WD. Aerosol emission and superemission during human speech increase with voice loudness. Sci Rep 2019;9(1):1–10.

26) Bake B, Larsson P, Ljungkvist G, Ljungström E, Olin A-C. Exhaled particles and small airways. Respir Res 2019;20(1):8.

27) Johnson GR, Morawska L. The mechanism of breath aerosol formation. J Aerosol Med Pulm Drug Deliv 2009;22(3):229–37.

28) Gupta JK, Lin CH, Chen Q. Flow dynamics and characterization of a cough. Indoor Air 2009;19(6):517–25.

29) Kwon SB, Park J, Jang J, et al. Study on the initial velocity distribution of exhaled air from coughing and speaking. Chemosphere 2012;87(11):1260–4.

30) Bake B, Ljungström E, Claesson A, Carlsen HK, Holm M, Olin AC. Exhaled Particles after a Standardized Breathing Maneuver. J Aerosol Med Pulm Drug Deliv 2017;30(4):267–73.

31) Almstrand AC, Bake B, Ljungström E, et al. Effect of airway opening on production of exhaled particles. J Appl Physiol 2010;108(3):584–8.

32) Johnson GR, Morawska L, Ristovski ZD, et al. Modality of human expired aerosol size distributions. J Aerosol Sci 2011;42(12):839–51.

33) Lagier A, Legou T, Galant C, Amy de La Bretèque B, Meynadier Y, Giovanni A. The shouted voice: A pilot study of laryngeal physiology under extreme aerodynamic pressure. Logop Phoniatr Vocology 2017;42(4):141–5.

34) Ricard J-D, Roca O, Lemiale V, et al. Use of nasal high flow oxygen during acute respiratory failure. Intensive Care Med 2020;46(12):2238–47.

35) Nava S, Hill N. Non-invasive ventilation in acute respiratory failure. Lancet. 2009;374(9685):250–9.

36) Hess DR. Patient-ventilator interaction during noninvasive ventilation. Respir Care 2011;56(2):153–67.

37) Schettino G, Tucci M, Sousa R, Barbas C, Amato M, Carvalho C. Mask mechanics and leak dynamics during noninvasive pressure support ventilation: A bench study. Intensive Care Med 2001;27(12):1887–91.

38) Verma S, Dhanak M, Frankenfield J. Visualizing the effectiveness of face masks in obstructing respiratory jets. Phys Fluids 2020;32(6):61708.

39) Tang JW, Liebner TJ, Craven BA, Settles GS. A schlieren optical study of the human cough with and without wearing masks for aerosol infection control. J R Soc Interface 2009;6(SUPPL. 6).

40) Nicas M, Nazaroff WW, Hubbard A. Toward Understanding the Risk of Secondary Airborne Infection: Emission of Respirable Pathogens. J Occup Environ Hyg 2005;2(3):143–54.